“涡旋”：一种能够模拟神经元突触的新磁态

来自巴塞罗那大学Autònoma （UAB）的研究人员已经成功地通过实验开发了一种新的磁性状态：磁离子涡旋或“涡旋”。这项研究发表在《自然通讯》杂志上，它允许在纳米尺度和室温下对磁性进行前所未有的控制，并为先进磁性设备的发展开辟了新的视野。

　　

巴塞罗那自治大学（UAB）的研究人员成功实验性地开发出一种新的磁性状态：磁离子涡旋或“vortion”。该研究发表在《自然通讯》上，实现了在室温下对纳米尺度磁性属性的前所未有的控制水平，为先进磁性设备的发展开辟了新的视野。

信息技术领域中，大数据的使用使得能源需求大幅增加。通常，存储信息的系统利用电流来写入数据，这会导致设备发热并消耗能量。通过电压而非电流来控制磁性存储器可以最大限度地减少这种能量消耗。实现这一目标的一种方法是使用磁离子材料，通过改变施加电压的极性来添加或移除离子，从而操纵其磁性属性。迄今为止，该领域的大多数研究都集中在连续薄膜上，而不是在纳米尺度上控制离散“比特”的属性，而后者对于高密度数据存储至关重要。此外，已知在亚微米尺度上会出现一些在宏观层面不存在的新磁性现象，例如磁涡旋——一种小型旋转状磁性结构。这些涡旋在当前磁性数据的记录和读取方式以及生物医学领域都有应用。然而，改变已经制备好的材料中的涡旋状态通常是不可能的，或者需要大量能量。

巴塞罗那自治大学物理系的研究人员与来自巴塞罗那材料科学研究所（ICMAB-CSIC）、ALBA同步辐射中心以及意大利和美国的研究机构的科学家合作，提出了将磁离子学和磁涡旋相结合的新解决方案。研究人员实验性地开发了一种名为磁离子涡旋或“vortion”的新磁性状态。这种新对象能够以高精度“按需”控制纳米点（纳米尺度的点）的磁性属性。通过施加电压提取氮离子，从而实现高效控制，并且能耗极低。

“这是迄今为止在纳米尺度上尚未被探索的对象，”UAB物理系的ICREA研究员、该研究的负责人Jordi Sort解释道，“在纳米尺度上控制磁性状态的需求很大，但令人惊讶的是，迄今为止磁离子学的大多数研究都集中在连续材料薄膜的研究上。如果我们观察离子位移在纳米尺度离散结构中的影响，也就是我们分析的‘纳米点’，我们会发现出现了一些非常有趣的动态演变的自旋配置，这些配置是这类结构独有的。”这些自旋配置和涡旋的磁性属性会随着施加电压的持续时间而变化。因此，通过逐步提取离子，可以从最初非磁性材料的纳米点中生成具有不同属性的磁性状态（例如具有不同属性的涡旋或具有均匀磁性取向的状态）。

“通过我们开发的‘vortions’，我们可以对磁化强度、矫顽力、剩磁、各向异性或涡旋形成或湮灭的临界场等磁性属性进行前所未有的控制。这些是存储在磁性存储器中的信息的基本属性，我们现在可以通过电压激活的过程以模拟和可逆的方式进行控制和调节，并且能耗极低，”UAB物理系的博士后研究员、该论文的第一作者Irena Spasojevi?解释道，“电压驱动过程代替使用电流，可以防止笔记本电脑、服务器和数据中心等设备发热，并大幅减少能量损失。”

研究人员表明，通过精确控制电压生成的磁性层的厚度，可以在非磁性状态、具有均匀磁性取向的状态（如磁铁中发现的状态）和新的磁离子涡旋状态之间，以受控和可逆的方式随意改变材料的磁性状态。

在室温下对纳米尺度磁性属性的这种前所未有的控制水平为开发具有可定制功能的先进磁性设备开辟了新的视野，这些功能可以在材料合成后进行调整。这为满足特定技术需求提供了更大的灵活性。“例如，我们设想将可重构的磁离子涡旋集成到神经网络中，作为动态突触，能够模拟生物突触的行为，”Jordi Sort说。在大脑中，神经元之间的连接，即突触，具有不同的权重（强度），这些权重会根据活动和学习过程动态适应。同样，“vortions”可以提供可调节的神经元突触权重，反映在可重构的磁化强度或各向异性值上，用于类脑（受大脑启发）的自旋电子设备。事实上，“生物神经元和突触的活动也是通过电信号和离子迁移来控制的，这与我们的磁离子单元类似，”Irena Spasojevi?评论道。

研究人员相信，除了对类脑设备、模拟计算或多态数据存储系统的影响外，“vortions”可能还有其他潜在应用，包括医疗治疗技术（如治疗诊断学）、数据安全、磁性自旋计算设备（自旋逻辑）以及自旋波的产生（磁子学）。